项目5 数控机床的进给伺服系统
项目6 数控机床的伺服驱动系统
任务6.7 交流永磁同步电机的变频控制系统
按磁场定向的矢量控制系统（了解）
永磁同步电动机的他控 变频调速系统
永磁同步电动机的自控 变频调速系统
梯形波永磁同步电动机（无刷直流 电动机）的自控系统（掌握） 正弦波永磁同步电动机的自控系统 （掌握）
■
10
项目5 数控机床的进给伺服系统
二、他控变频调速系统
按转子磁场定向的矢量控制系统 基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过 坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再 模仿直流电动机的控制方法进行控制。
■
11
项目 数控机床的进给伺服系统
三、自控变频调速系统
1、无刷直流电动机的方波电流驱动 无刷直流电动机的驱动原理和直流电动机是等效的。 无刷直流电动机采用电子逆变器和转子位置检测 器，用静止的电子换向电路代替了机械式的电刷 和换向器。 • 在无刷直流电动机中，三相绕组通入的方波驱动 电流具有双极性、方波宽度为120。角度、三相电 流相位差120。电角度的特性。三相绕组方波电流 由V1～V6大功率晶体管组的逆变器生成。
对于振荡和失步问题 ： 由于采用频率闭环控制，同步转速可 以跟着频率改变，于是就不会振荡和失 步了。
■
9
项目5 数控机床的进给伺服系统
• 他控变频调速系统 用独立的变压变频装置给同步电动机供 电的系统。
• 自控变频调速系统 用电动机本身轴上所带转子位置检测器 提供的转子位置信号来控制变压变频装置 换相时刻的系统。
iU*= Isinθ iV*= Isin(θ-1200) iW*= Isin(θ-1200)
■
18
项目5 数控机床的进给伺服系统
•
三相电流指令i*U、i*V、i*W 在与电流检测反馈 信号iU、iV、iW比较后，通过电流调节器ACR得 到正弦波控制信号，然后经SPWM控制及驱动电 路获得六个大功率晶体管基极驱动电压，控制 主电路中的六个大功率晶体管的导通和截止， 输出U、V、W三相正弦波电流控制电动机运行。
■
19
■
4
项目5 数控机床的进给伺服系统
• 同步电动机电磁转矩的大小与定、 转子磁场轴 线之间的夹角α的大小有关。 • 如图6-7-2所示。对于磁极对数p=1的隐极式转子 的永磁式同步电动机来说： 当α=0°时，转子只受到径向力的作用，不会 形成电磁转矩。 当0°＜ α ＜90°时，转子受到的作用力可以 分解为一个径向分量和一个切向分量，其中切向 分量产生电磁转矩。 当 α=90°时转子只受到切向力的作用，电磁 转矩最大，称为最大同步转矩。
■
5
项目5 数控机床的进给伺服系统
(a)
(b)
(c)
图6-7-2 永磁式同步电动机的电磁转矩 (a) α=0°; (b) 0°＜α＜90°; (c) α=90°
■
6
项目5 数控机床的进给伺服系统
• 因此，当电动机的负载转矩增加时，稳定后的转 速n虽然不变， α却相应增大。如果负载转矩超 过最大同步转矩（α>900) ，电动机就会带不动 负载，转速便会下降即而出现所谓的失步现象， 直到转速下降为零。
思考：哪个是凸极式哪个是隐极式？
■
3
项目5 数控机床的进给伺服系统

工作原理： 定子绕组与三相电源接通后可以产生旋转磁 场，根据异性相吸原理，定子N0极（或S0极）吸 住永磁转子的S极（或N极），使转子随着旋转磁 场以同一速度旋转起来。
60 f n p

显然，改变磁极对数P可以实现有级调速，且P较 大时，成为低速电机；而改变f可以实现无级平 滑调速。
■
12
项目5 数控机床的进给伺服系统
■
13
项目5 数控机床的进给伺服系统
• 每60度时,V1~V6 导通状态改变一 次,定子三相绕 组中电流状态改 变一次,定子磁 场转动60度，转 子也步进60度。
■
14
项目5 数控机床的进给伺服系统
• 无刷直流电动机的转速控制是无刷直流电动机在 恒转矩调速状态下，根据速度给定指令的大小， 经速度和电流调节，通过PWM控制，换向逻辑控制 电路输出的基极驱动脉冲频率发生变化，从而使 逆变器输出的方波电流频率也随之变化，最终实 现调速的目的。 • 和直流电动机改变电枢电压极性从而改变转向的 控制不同，无刷直流电动机的转向控制是根据速 度给定指令中的方向信号，经逻辑换向控制，使 逆变器中的大功率晶体管的通断顺序发生改变， 从而改变三相通电顺序，使定子磁场的转向改变， 实现电动机的转向控制。
■
1
项目5 数控机床的进给伺服系统
一、交流永磁同步电机
永磁式同步电机 同步电机 反应式同步电机 磁滞式同步电机 永磁式同步电动机的转子由永久磁钢制成，结构 形式可以是凸极式，也可以是隐极式。 隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，但凸极 效应能产生平均转矩。
■
2
项目5 数控机床的进给伺服系统
图6-7-1
■
15
项目5 数控机床的进给伺服系统
2、正弦波永磁同步电动机的自控变频
• 首先，交流永磁同步电动机的转距表达式 T= KT IΦ 式中 KT是比例系数 I是定子电流幅值 Φ是转子磁链 • 由于KT是常数，Φ是转子磁链，对于同一电机来说 认为是常数。因此电机的输出转矩与正比于定子 电流幅值，控制定子电流幅值就能很好地控制转 矩，和直流电动机完全一样。
■
16
项目5 数控机床的进给伺服系统
正弦波永磁同步电动机的自控变频系统
■
17
项目5 数控机床的进给伺服系统
• 由电机转子上的位置检测装置测的转子位置角θ， 经正弦信号发生器得到三个正弦波位置信号分别为： a=sinθ b=sin(θ-1200) c=sin(θ+1200) • 速度指令Un*与反馈指令Un比较后,通过速度调节器 ASR输出转矩指令T*，T*与电流I*成正比，在乘法 器中与a、b、c相乘得到三相电流信号
■
7
项目5 数控机床的进给伺服系统
永磁同步电机的优缺点
优点： （1）转速与电压频率严格同步； （2）功率因数高到1.0；
存在的问题： （1）起动困难； （2）重载时有振荡，甚至存在失步危险；
■
8
项目5 数控机床的进给伺服系统
问题解决思路
对于起动问题： 通过变频电源频率的平滑调节，使电 机转速逐渐上升，实现软起动。